謝立臣，王海博，顏 亮

(1河北工程大學機電工程學院，河北邯鄲056038;2邯鄲市生產(chǎn)力促進中心，河北邯鄲，056002)

并聯(lián)機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、剛度大、精度高、負載能力強、高速性能好、控制簡單等特點，并聯(lián)機構(gòu)的控制也有很多成熟方案，如液壓缸驅(qū)動圓柱副、直線電機驅(qū)動移動副和旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動螺旋副等［1]。結(jié)合并聯(lián)機構(gòu)優(yōu)點，國內(nèi)外已有很多專家將并聯(lián)機構(gòu)應用在汽車薄板件柔性可重構(gòu)夾具中［2]。本文以汽車焊裝線上作為薄板件柔性夾具結(jié)構(gòu)基礎的3－UPS－1－PS并聯(lián)機構(gòu)控制系統(tǒng)為研究對象，研究3－UPS－1－PS并聯(lián)機構(gòu)的控制系統(tǒng)的設計及實現(xiàn)。

1 3－UPS－1－PS機構(gòu)模型及控制原理

1.1 機構(gòu)模型

3－UPS－1－PS并聯(lián)機構(gòu)由動平臺、靜平臺、3個UPS支鏈(A1B1，A2B2，A3B3)和 1 個 PS約束鏈(A4B4)組成，見圖1。在3個UPS支鏈上分別裝有電機，電機帶動UPS支鏈上的滾珠絲杠，絲桿通過球副連接到動平臺，從而實現(xiàn)動平臺運動。

根據(jù)Kutzbach Grubler公式，空間機構(gòu)自由度M為

式中:n－空間機構(gòu)的總構(gòu)件數(shù);g－空間機構(gòu)的運動副數(shù);fi－第i個運動副的自由度數(shù);fq－空間機構(gòu)的局部自由度數(shù)。

則本并聯(lián)機構(gòu)自由度M為

其中包括:1個移動自由度，3個轉(zhuǎn)動自由度。

1.2 硬件組成

該控制系統(tǒng)由NI公司的PCI－7354運動控制卡、UMI－7774(4軸)多功能數(shù)據(jù)采集卡和松下小慣量全數(shù)字式交流伺服電機MSMD－04－Z－P－1－U和自帶的驅(qū)動器MBDDT2210組成［3]。系統(tǒng)連接，見圖2。

1.3 控制原理

在動、靜平臺上分別建立動坐標系O'－X'Y'Z'和絕對坐標系O－XYZ，O'O和支鏈A4B4重合，O'B1作 X'軸，OA1作 X 軸，見圖3。

支鏈AiBi(i=1，2，3)與靜平臺的夾角為φ。r1為動平臺外接圓半徑，即動平臺上外接圓周上的鉸鏈中心到外接圓圓心的鉸鏈中心的距離，r2為經(jīng)平臺外接圓半徑，即靜平臺上外接圓周上的鉸鏈中心到外接圓圓心的鉸鏈中心距離。令{Ci}為動平臺的第i個鉸點在O'－X'Y'Z'中的坐標。由于O'點是動點，故{Ci}為相對坐標，{Ai}為靜平臺的第i個鉸點在O－XYZ中的坐標，即絕對坐標;{Bi}為動平臺的第i個鉸點在O－XYZ中的坐標;［R] 為由O'－X'Y'Z'坐標系到O－XYZ坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣。則

式中:αi－以O為端點，分別過第i個鉸點和第i－1個鉸點的兩條射線組成的夾角度數(shù)。

由式(1)得

設動平臺繞X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)角度分別為α、β、γ，則移動參考系變換到固定參考系的旋轉(zhuǎn)矩陣［R] 為

用齊次坐標矩陣來表示動平臺的位置姿勢矩陣［G] 為

動坐標系O'－X'Y'Z'中的任一點［Q] =［x'y'z'] 中為

{P}={PXPYPZ}為動平臺中心O'在固定參考系中的絕對坐標，在機構(gòu)中{P}={0 0 PZ}，由式(2)得

將式(3)寫成向量形式:

式中:R(Bi)－鉸接點Bi在固定參考系OXYZ中的矢量;R(Ci)－鉸接點Bi在固定參考系O'－X'Y'Z'中的矢量;RP－動平臺中心O'在固定參考系O－XYZ中的矢量。

對式(4)求導得

式中:V(Bi)－鉸鏈點B在固定參考系OXYZ中運動速度;W－動平臺角速度;V－動平臺中心O'在固定參考系O－XYZ中的運動速度。

將V(Bi)向Li投影，可得到第i根桿的長度變化速率(輸入速度)Li'為

式中:ni－沿第i根桿軸向的單位列向量。即

式中:Vm－動平臺運動速度(輸出速度)。J－并聯(lián)機器人的Jacobian矩陣，即速度傳遞矩陣。

速度傳遞矩陣表示了支鏈與動平臺的速度映射關系［4－5]，通過 LabVIEW 的公式節(jié)點功能，將映射方程編輯成模塊，在程序中調(diào)用。

在工作中，并聯(lián)機構(gòu)作為薄板件柔性夾具的結(jié)構(gòu)基礎，為了適應新車型車身骨架總成組焊，需要調(diào)整其動平臺位姿，以保證安裝在動平臺上的板件夾具能夠很好的夾緊車身板件。3個電機的單一運動精度和協(xié)調(diào)運動精度，決定了動平臺位姿調(diào)整精度。為此，在控制系統(tǒng)中安裝反饋裝置，形成閉環(huán)系統(tǒng)，保證動平臺位姿精度，見圖4。

2 控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

儀器控制是在儀器和計算機之間發(fā)送命令和數(shù)據(jù)。它需要將儀器與計算機連接起來協(xié)同工作，同時還可以根據(jù)需要延伸和拓展儀器的功能。完整的儀器控制系統(tǒng)除了包括計算機和儀器外，還必須建立儀器與計算機的通路以及上層應用程序，通路包括總線和針對不同儀器的驅(qū)動程序，上層應用程序用于發(fā)送命令、儀器的控制面板顯示以及數(shù)據(jù)的采集、處理、分析、顯示和存儲等［6－7]。

LabVIEW(laboratory virtual instrument engineering workbench)是一種圖形化的編程語言和開發(fā)環(huán)境，是標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW用于儀器控制開發(fā)環(huán)境的優(yōu)點:支持多種儀器驅(qū)動和總線，提供豐富的接口，支持OPC、ActiveX、DLL調(diào)用和網(wǎng)絡通信等。本控制系統(tǒng)程序由虛擬儀器LabVIEW進行編制。其系統(tǒng)構(gòu)架，見圖5。

3 主要功能模塊介紹

3.1 指令輸出流程

指令輸出程序用于向運動控制卡發(fā)送控制命令。當伺服系統(tǒng)通電后，程序定時循環(huán)。A1B1，A2B2，A3B3支鏈對應的TF數(shù)據(jù)由0變1，支鏈被激活，程序自動尋找對應的子VI運行，進行支鏈控制。根據(jù)需要可以提前在控制參數(shù)界面輸入運動速度倍率或加速度倍率，用于控制支鏈運動快慢。同時支鏈運動還可以在控制界面選擇自動運行或者手動運行，見圖6。

3.2 限位報警流程

限位報警程序用于接受位置傳感器的反饋信號，判斷支鏈是否超程。在A1B1，A2B2，A3B3支鏈的運動桿件上裝有限位器，在運動過程中，如果運動桿件超出規(guī)定位置，傳感器就會發(fā)出反饋信號，TF數(shù)據(jù)由0變1，報警開關自動打開，報警器開始報警。同時，case結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流通過輸出端子，將報警數(shù)據(jù)進行加法運算依次累加。

機構(gòu)超出限位，報警器自動報警并且斷電停止機構(gòu)運動。按住操作界面釋放按鈕、超出限位支鏈對應的操作按鈕，手動向相反方向移動，可進行復位，報警系統(tǒng)此時停止報警，報警計數(shù)器自動進行記錄，見圖7。

3.3 人機交互流程

人機交換界面用于設置工作需要得初始參數(shù)，程序運行后，初始參數(shù)進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，硬件系統(tǒng)產(chǎn)生脈沖信號，伺服系統(tǒng)通過將脈沖信號放大控制電機。電機帶動絲桿，使動平臺位姿達到夾具需要的角度。人機交換界面上包括自動運行、手動運行、速度倍率調(diào)節(jié)按鈕和運行結(jié)果監(jiān)控顯示屏，界面上的 X、Y、Z軸按鈕，分別對應 A1B1，A2B2，A3B3支鏈，見圖 8。

4 仿真實驗

采用本系統(tǒng)軟件對3－UPS－1－PS并聯(lián)機構(gòu)進行控制仿真實驗。首先，運行Max程序，檢測運動控制卡。然后，打開交互界面的啟動按鈕，輸入速度和加速度參數(shù)。最后，點擊運行按鈕［8－10]。系統(tǒng)流程見圖9。

為了驗證在LabVIEW系統(tǒng)控制下，并聯(lián)機構(gòu)能夠按照實際工作情況，在規(guī)定的運動空間內(nèi)，靈活、速度的達到目標位姿，通過讓A1B1支鏈運動，使動平臺傾斜30°，觀察動平臺完成實驗過程中，其輸出速度曲線，見圖10。經(jīng)過試驗，動平臺在達到預定結(jié)果后，速度符合工作要求。)通過實驗可證明LabVIEW系統(tǒng)控制下軟硬件的可行性。

5 結(jié)束語

仿真實驗表明，基于LabVIEW的3－UPS－1－PS并聯(lián)機構(gòu)控制系統(tǒng)穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)獨立和聯(lián)動的控制方式，動平臺輸出速度平穩(wěn)，可靠。為了完善對動平臺的控制，需要提高系統(tǒng)精度。動平臺的位置精度和誤差修正將是下一步研究方向，最終目標是提高機構(gòu)的控制精度。該系統(tǒng)具有以下特點:操作簡單，界面友好，操作人員可以對運動參數(shù)一目了然。

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